SE462660B - Gasturbinmotor med motroterande propellrar - Google Patents

Description

.462 660 _ 2 motståndsförluster och gör därigenom högre marschhastigheter möjliga.

Flygplan av mellanstorlek, exempelvis transportplan för 100 till 180 passagerare, använder typiskt turbofläktmotorer för fram- drivning. Turbofläktmotorer ger den relativt stora dragkraft som erfordras för att driva dessa flygplan på relativt höga höjder och med marschhastigheter av omkring Mach 0,6 till omkring Mach 0,8.

För flygplan, som är konstruerade för lägre marschhastigheter, används typiskt turbopropmotorer, emedan de kan ge överlägsen funk- tion och verkningsgrad. Väsentliga minskningar av bränsleåtgången, dvs den mängd bränsle som förbrukas per passagerare-km, är exempel- vis möjliga genom användning av den aerodynamiskt mer effektiva turbopropmotorn framför turbofläktmotorn.

Det skulle därför vara önskvärt att kombinera fördelarna hos turbofläkt- och turbopropmotorerna, för att erhålla en kompound- motor med förbättrad total motorverkningsgrad vid marschhastigheter hos flygplan, som är typiska för turbofläktdrivna flygplan.

Den totala verkningsgraden hos en flygplans-gasturbinmotor är produkten av termisk verkningsgrad, överföringsverkningsgrad och drivverkningsgrad. Den termiska verkningsgraden hänför sig till kärnmotorn och är ett mått på hur effektivt energin i bränslet omvandlas till tillgänglig energi i kärnmotorns avgaser. Överfö- ringsverkningsgraden hänför sig till motorns konstruktionskomponen- ter utom kärnmotorn och är ett mått på hur effektivt kärnmotorns avgasenergi omvandlas till kinetisk energi, som bibringas luft- strömmen. Motorkomponenter, som påverkar överföringsverkningsgraden innefattar drivblad, växellåda, kraftturbin och motorgondol. Det är önskvärt att åstadkomma en kompoundmotor med relativt höga över- förings- och drivverkningsgrader vid relativt höga underljuds- Machtal.

En enkel, uppförstorad version av en konventionell turboprop- motor, som är lämplig att driva ett medelstort transportplan vid de marschhastigheter och höjder som är typiska för turbofläktdrivna flygplan, skulle kräva en enda propeller med omkring 4,8 m diame- ter. Den skulle även kräva en kapacitet av omkring 15 000 axelhäst- krafter, vilket är ett flertal gånger uteffekten hos konventionella turbopropmotorer. _ En konventionell turbopropmotor, byggd enligt dessa krav, skulle vidare fordra utveckling av en relativt stor och alltför tung reduktionsväxellåda för att överföra den erforderliga effekten 3 462 660 och drivmomentet till propellern vid relativt lågt varvtal. Sådana växellådor tenderar att införa förluster, som minskar motorns över- föringsverkningsgrad. Varvtalet hos en propeller med stor diameter är en begränsande faktor för att hålla spiralhastigheten hos propellerspetsen, dvs flygplanets hastighet plus propellerspetsens tangentialhastighet, under överljudshastigheter. Detta är önskvärt, emedan en propellerspets, som arbetar vid överljudshastigheter, alstrar en väsentlig mängd störande buller och medför en förlust av aerodynamisk verkningsgrad.

Gasturbinmotorer, som är i stånd att driva propellrar eller fläktar utan användning av en reduktionsväxellåda, är tidigare kända. De innefattar typiskt motroterande turbinrotorer för rela- tivt lågt varvtal med relativt få skovelradsteg, som driver ett par motroterande fläktar eller propellrar. Dessa motorer innefattar olika utföringsformer, som utnyttjar fläktarna eller propellrarna för att enbart öka den drivkraft som alstras från utblåsnings- strålen.

Sådan ökning kan vara Eektiv för vissa ändamål. Drivkrafts- ökning kräver emellertid att väsentlig drivkraft alstras av de avgaser som utströmmar från turbinen och kärnstrålröret. Detta reducerar den totala motorverkningsgraden genom försämring av driv- verkningsgraden.

För att framdriva ett modernt, medelstort flygplan, som kräver relativt stor uteffekt, erfordras en praktisk och relativt bränsleeffektiv motor av en ny generation, med väsentliga prestan- daförbättringar framför konventionella turbofläkt- och turboprop- motorer, och dessa motroterande turbinrotormotorer.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en ny och förbättrad gasturbinmotor.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en ny och förbättrad gasturbinmotor för drift av ett flygplan vid marschhastigheter över Mach 0,6 och under 1,0 med förbättrad total motorverkningsgrad.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en ny och förbättrad gasturbinmotor, som innefattar en kraft- turbin med motroterande rotorer.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en ny och förbättrad gasturbinmotor, som innefattar en kraft- turbin med ett flertal motroterande turbinskovelradsteg, vid vilken väsentligen all uteffekt erhålls från expanderande förbrännings- 462 660 gaser genom stegen och väsentligen liten effekt återstår i de avgaser som lämnar motorn.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en ny och förbättrad gasturbinmotor, vid vilken uteffekt kan erhållas utan användning av en reduktionsväxellåda.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en ny och förbättrad gasturbinmotor, som är anordnad att driva motroterande bäryteelement, såsom propellrar.

Gasturbinmotorn enligt uppfinningen har erhållit de i krav 1, 2 eller 5 angivna kännetecknen.

Sammanfattning av uppfinningen sasturbinmotorn enligt uppfinningen innefattar en gasgenera- tor, som är anordnad att alstra förbränningsgaser, och anordningar för att effektivt överföra gasernas energi till en resulterande motordrivkraft. Dessa gasöverföringsanordningar innefattar en mot- roterande kraftturbin med första och andra motroterande propell- rar. Kraftturbinen innehåller en första rotor med ett flertal förs ta turbinskovelrader, som sträcker sig radiellt utåt, och en andra rotor med ett flertal andra turbinskovelrader, som sträcker sig radiellt inåt. De första och andra rotorerna är så anordnade, att de bildar inre resp. yttre flödesbanytor för de förbränningsgaser som strömmar genom kraftturbinen. Kraftturbinen är anordnad att motta förbränningsgaserna och utta väsentligen all uteffekt från dessa för att driva de första och andra rotorerna i motsatta rikt- ningar.

De första och andra, motroterande propellrarna har vardera ett flertal blad, som är fästade vid första resp. andra roterbara gondolringar. De första och andra propellrarna är direkt kopplade till och drivna av de första resp. andra rotorerna och är anbragta radiellt utanför kraftturbinen. Vart och ett av bladen har ett relativt högt förhållande mellan nav- och spetsdiameter och rela- tivt lågt förhållande mellan tjocklek och korda.

Vid en annan utföringsform av föreliggande uppfinning inne- fattar gasöverföringsanordningarna en ringformig kåpa, som är anbragt radiellt utanför gasgeneratorn och bildar en yttre kontur.

Konturen har fram-, mellan- och bakpartier. Frampartiet begränsar ett inlopp, som är optimalt utformat för gasgeneratorn. Bakpartiet bildar en aerodynamiskt slät övergång till den andra, roterbara gondolringen. Mellanpartiet begränsar kåpans maximiradie, vilken överskrider navradien hos vardera av de första och andra propell- faffla. 462 ÖÖÛ Vid en annan utföringsšnrm innefattar en gasturbinmotor en gasgenerator, anordnad att alstra förbränningsgaser, samt gasöver- föringsanordningar för att effektivt överföra gasernas energi till en nettomotordrivkraft. Gasöverföringsanordningarna innehåller en kraftturbin, första och andra motroterande propellrar och en ring- formig gondol. Kraftturbinen innehåller en första rotor med ett flertal första turbinskovlar, som sträcker sig radiellt utåt från den, och en andra rotor med ett flertal andra turbinskovlar, som sträcker sig radiellt inåt från den. De första och andra rotorerna är anordnade att bilda en inre resp. yttre flödesbanytor, för de förbränningsgaser som strömmar genom kraftturbinen. Kraftturbinen är anordnad att motta förbränningsgaserna och utta väsentligen all uteffekt från dessa för att driva de första och andra rotorerna i motsatta riktningar. De första och andra motroterande propellrarna har vardera ett flertal blad, som är fästade vid första och andra roterbara gondolringar vid första resp. andra radier. De första och andra propellrarna är direkt kopplade till och drivna av de första resp. andra rotorerna, och anordnade utanför kraftturbinen. Vart och ett av bladen har ett relativt högt förhållande mellan nav- och spetsradie och relativt lågt förhållande mellan tjocklek och korda. Den ringformiga gondolen är anbragt radiellt utanför gas- generatorn och bildar en yttre kontur, varvid konturen har fram-, mellan- och bakpartier. Frampartiet begränsar ett inlopp, som är optimalt utformat för gasgeneratorn. Bakpartiet bildar en aerodyna- miskt slät övergång till den andra, roterbara gondolringen. Mellan- partiet begränsar gondolens maximiradie, vilken överskrider var och en av de första och andra radierna.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen, tillsammans med ytterligare ändamål och förde- lar hos denna, beskrivs närmare i följande detaljbeskrivning i förbindelse med bifogade ritningar, på vilka Fig. 1 är en schematisk bild av en gasturbinmotor enligt en utföringsform av uppfinningen, innefattande en kraftturbin med motroterande rotorer, som är avsedda för att driva motroterande, bakmonterade propellrar, Fig. 2 visar ett flygplan med två gasturbinmotorer enligt fig. 1, monterade vid dess bakre ände, Fig. 3 är en bild åskådliggörande en alternativ anordning för montering av en gasturbin enligt fig. 1 på en flygplansvinge, Fig. 4 är en bild av en gasturbinmotor enligt en annan 462 660 utföringsform av föreliggande uppfinning, Fig. 5 är en mer detaljerad bild av den i fig. 4 visade gasturbinmotorn, Fig. 6 är en mer detaljerad bild av kraftturbinen i den i fig. 4 visade motorn, Fig. 7 är en bild i större skala, tagen längs linjen 7-7 i fig. 4.

I fig. 1 visas en gasturbinmotor 10, eller kanalfri fläkt- motor, enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning. Motorn innefattar en längsgående centrumaxel 12 och en ringformig kåpa 14, som är koaxiellt anbragt kring axeln 12. Motorn 10 innefattar även en konventinell gasgenerator 16, som exempelvis kan innefatta en tillsatskompressor 18, en kompressor 20, en brännkammare 22, en högtgrycksturbin (HPT) 24 och en mellantrycksturbin (ITP) 26, som samtliga är koaxiellt anordnade i serie kring motorns 10 längdaxel 12 längs axialflödet. En första, ringformig drivaxel 28 sammanbin- der fast kompressorn 20 och högtrycksturbinen 24. En andra, ring- formig drivaxel 30 sammanbinder fast tillsatskompressorn 18 och turbinen 26.

I drift är gasgeneratorn 16 anordnad att tillföra trycksatt luft från tillsatskompressorn 18 och kompressorn 20 till brännkam- maren 22, där den blandas med bränsle och på lämpligt sätt antänds, för att alstra förbränningsgaser. Förbränningsgaserna driver högtrycksturbinen 24 och mellantrycksturbinen 26, vilka i sin tur driver kompressorn 20 resp. tillsatskompressorn 18. Förbrännings- gaserna avges från gasgeneratorn 16 genom mellantrycksturbinen 26 vid en medelutloppsradie R1 från längdaxeln 12.

Vid en bakände av kåpan 14 och akter om gasgeneratorn 16 är ett ringformigt stödorgan 30 fäst. Stödorganet 30 sträcker sig radiellt inåt och i riktning bakåt från kåpans 14 bakände. Stöd- organet 30 innefattar ett flertal, utmed omkretsen åtskilda stag- organ 32, vilka sträcker sig radiellt inåt från kåpans 14 bakände, och ett ringformigt navorgan 34, som är fäst vid stagorganens 32 radiellt inre ändar och sträcker sig i riktning bakåt. Stagorganen 32 är avsedda att stödja navorganet 34 och leda förbränningsgaser från gasgeneratorn 16 till en kraftturbin 36, som är konstruerad i enlighet med en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Energin hos de förbränningsgaser som avges från gasgeneratorn kommer att effektivt omvandlas till en resulterande motordrivkraft med anordningar, som beskrivs fullständigare nedan. Sådana anord- 7 462 660 ningar omfattar kraftturbinen 36, eller enklare lågtryckksturbinen (LPT) 36, som är roterbart fäst vid navorganet 34.

Lågtrycksturbinen 36 innefattar en första, ringformig trum- rotor 38, som är roterbart monterad med lämpliga lager 40 vid navorganet 34 vid dess fram- och bakändar 42 och 44. Den första rotorn 38 innefattar ett flertal första turbinskovelrader 46, vilka sträcker sig radiellt utåt från den och är axiellt åtskilda på densamma.

Lågtrycksturbinen 36 innefattar även en andra, ringformig trumrotor 48, som är anbragt radiellt utanför den första rotorn 38 och de.första skovelraderna 46. Den andra rotorn 48 innefattar ett flertal andra turbinskovelrader 50, som sträcker sig radiellt inåt från den och är axiellt åtskilda på densamma. Den andra rotorn 48 är roterbart monterad på navorganet 34 med lämpliga lager 52, vilka är anbragta vid radiellt inre ändar av en främsta skovelrad 50a av de andra skovelraderna 50 och vid radiellt inre ändar av en bakers- ta skovelrad 50b, vilken är roterbart anbragt på den första rotorn 38, som är monterad på navorganet 34.

Såsom visas i fig. 1, begränsas en ringformig flödesbana för förbränningsgaser, som strömmar genom skovelraderna 46 och 50, av den första trumrotorn 38 och den andra trumrotorn 48. Förutom att begränsa flödesbanan, bildar de första och andra trumrotorerna 38 och 48 flödesbanans inre och yttre gränsytor 38a resp. 48a. På detta sätt är lågtrycksturbinen 36 lättare än typiska turbiner enligt tidigare teknik, vilka innehåller relativt stora skivor.

Var och en av de första och andra turbinskovelraderna 46 och 50 innefattar ett flertal perifert åtskilda turbinskovlar, med de första skovelraderna 46 omväxlande åtskilda från eller anbragta i mellanrummen mellan respektive rader hos de andra skovelraderna 50. Förbränningsgaser, som strömmar genom skovelraderna 46 och 50, strömmar längs en medelradie R2 i flödesbanan, vilken definitions- mässigt representerar en skovelradie, vid vilken resulterande arbetsbelastningar hos lågtrycksturbinen 36 antas vara koncentrera- de. Så kan exempelvis radien R2 definieras såsom medelradien för delningslinjen hos alla skovelraderna i lågtrycksturbinen 36.

Förbränningsgaser, som avges från gasgeneratorn 16 vid flödesbanans medelradie R1 leds genom stagorganen 32 till låg- trycksturbinen 36. Lågtrycksturbinen 36 är anordnad att expandera förbränningsgaserna genom de första och andra turbinskovelraderna 46 och 50 längs flödesbanans medelradie R2 för att utta väsentligen 462 660 all uteffekt från gaserna i ändamål att driva de första och andra rotorerna 38 och 48 i motsatta rotationsriktningar vid relativt lägre rotationshastigheter än den första drivaxeln 28.

Gasgeneratorn 16 och lågtrycksturbinen 36 enligt beskrivning- en ovan resulterar i en ny och förbättrad gasturbinmotor med mot- roterande rotorer, vilken är avsedd att ge utaxeleffekt vid rela- tivt låga varvtal. Väsentliga kännetecken för föreliggande uppfin- ning innefattar den komplementära anordningen av motorkomponenter- na. Närmare bestämt är högtrycksturbinen 24 anbragt bakom brännkam- maren 22 för att först mottaga de förbränningsgaser med relativt högt tryck som avges av denna. Högtrycksturbinen 24 är mest effek- tiv, när den och den första drivaxeln 28 är konstruerade för att rotera med omkring 10 000 till 15 000 r/min i en motor med 15 000 axel-hkr. Detta varvtal utnyttjar effektivt förbränningsgaserna med högt tryck från brännkammaren 22.

Förbränningsgaserna uppvisar efter passage genom högtrycks- turbinen 24 ett reducerat mellantryck. Mellantrycksgaserna strömmar sedan genom mellantrycksturbinen 26, som ytterligare reducerar gasernas tryck till ett relativt lågt tryck under det att den högst effektivt utvinner effekt för att driva den andra drivaxeln 30 och tillsatskompressorn 18 med relativt lägre varvtal än högtryckstur- binens 24.

Slutligen leds lågtrycksförbränningsgaserna till lågtrycks- turbinen 36, där de ytterligare expanderas och väsentligen all deras återstående energi uttas för att driva de första och andra rotorerna 38 och 48 och alstra axeluteffekt. Ringa energi återstår för den allmänt ineffektiva drivkraft som alstras av gaserna med relativt hög hastighet i utloppsstrålen, som avges från lågtrycks- turbinen 36. Emedan lågtrycksturbinen 36 är det sista elementet i motorn 10, är denna dessutom utsatt för förbränningsgaserna med den lägsta temperaturen och därför är termiskt inducerade påkänningar reducerade.

För att mer effektivt utta energi från förbränningsgaserna i lågtrycksturbinen 36 är det fördelaktigt att dess medelradie R2 i flödesbanan är större än gasgeneratorns 16 medelutloppsradie R1. I den i fig. 1 visade utföringsformen är flödesbanans medelradie R2 omkring dubbla värdet av medelutloppsradien R1. Genom detta arran- gemang erhåller turbinskovelraderna 46 och 50 en ökad radie från längdaxeln 12 så att deras relativa tangentialhastigheter ökas och skovelbelastningen reduceras, varigenom effekt effektivt uttages 9 462 660 från de gaser som strömmar över dem.

I den såsom exempel visade utföringsformen i fig. 1 är lågtrycksturbinen avsedd att driva motroterande och motsatt stig- ning uppvisande främre propellrar 54 och bakre propellrar 56.

Närmare bestämt sträcker sig från en bakände av den första rotorn 38 en bakre skovelrad 46a, som sträcker sig radiellt utåt till omkring det radiella läget för den andra rotorn 48. Vid de radiellt yttre ändarna av den bakre skovelraden 46a är ett ringformigt kåporgan 58 fästat, som innehåller en bakre, roterbar gondolring 128, vilken är anpassad till det jämna luftflödet över densamma. De bakre propellrarna 56 är på lämpligt sätt fästade vid kåporganet 58. Likaledes är de främre propellrarna 54 på lämpligt sätt fästade vid ett ringformigt kåporgan med en främre gondolring 126, som är fäst vid en framände av den andra rotorn 48. En lämplig anordning 60 för att variera stigningen finns för att oberoende styra stig- ningen hos de främre och bakre propellrarna 54 och 56. Varje ring- formig gondolring, som omger kraftturbinen och den grupp av propel- lerblad som är monterad på ringen, bildar ett propellersystem.

Ett högst väsentligt resultat av föreliggande uppfinning är att gasturbinmotorn 10 med lågtrycksturbinen 36 ger en relativt hög uteffekt och -vridmoment vid relativt låga varvtal utan användning av en reduktionsväxellåda. En reduktionsväxellåda och tillhörande utrustning skulle medföra en väsentlig ökning av vikten och kompli- ceringsgraden hos en motor med förmåga att alstra den relativt stora drivkraft som erfordras för att driva ett transportflygplan, såsom ett passagerarplan för 150 passagerare. Vidare reducerar eventuella förluster på grund av växellådan överföringsverknings- graden.

Varvtalsreduktion erfordras, när en gasturbinmotor används för att driva bäryteorgan, såsom propellrar eller fläktar. En konventionell lågtrycksturbin (ej visad) innehåller en enda rotor, som typiskt roterar med omkring 10 000 till 15 000 r/min. Dessa varvtal måste reduceras till relativt låga varvtal av omkring 1 000 till omkring 2 000 för att driva bäryteorgan. Propellrar och fläktar är konstruerade för förflyttning av en relativt stor luft- mängd vid relativt låga axialhastigheter för att alstra drivkraft och fungerar mer effektivt vid de relativt låga varvtalen. Dessutom erfordras de låga varvtalen för att begränsa propellrarnas spiral- spetshastighet till under överljudshastigheter.

Genom att enligt föreliggande uppfinning den andra rotorn 48 462 660 1° i lågtrycksturbinen 36 roterar i motsatt riktning mot den första rotorn 38, finns två utgående axlar, första rotorn 38 och andra rotorn 48, vilka roterar med omkring fjärdedelen av varvtalet hos en konventionell lågtrycksturbin med en enda rotor och ekvivalent uteffekt, varigenom varvtalet reduceras.

Vidare kan ytterligare varvtalsreduktion erhållas genom ökning av de första och andra turbinskovelradernas 46 och 50 antal, dvs antalet steg. Genom ökning av antalet skovelrader reduceras den energimängd som uttas för varje steg. Detta medger en reduktion av rotorns varvtal och den aerodynamiska belastningen på skovlarna i varje rad. För att sålunda erhålla de önskade, reducerade varvtalen och effektivt utta (genom reducerad skovelbelastning) väsentligen all återstående effekt från förbränningsgaserna, skulle ett ökat antal steg erfordras.

Emellertid kan ett lägre antal steg användas för att uppnå detta genom att öka förhållandet R1/R2 för att tillföra förbrän- ningsgaserna till lågtrycksturbinen 36 vid en större medelradie R2 i flödesbanan. Alltför många steg är icke önskvärda på grund av den ökade kompliceringsgrad, storlek och vikt som uppkommer härigenom, och en lågtrycksturbin med färre steg och ett relativt högt förhållande R1/R2 är icke önskvärd på grund av den ökade frontarea och vikt som är hänförliga härtill. Såsom ovan beskrivits och i enlighet med föreliggande uppfinning har det fastställts att ett förhållande R1/R2 av omkring 2,0 är att föredra.

I den i fig. 1 visade utföringsformen är vidare för drift av de motroterande propellrarna 54 och 56 en lågtrycksturbin 36 med 14 steg föredragen för att erhålla varvtal hos de första och andra rotorernas 38 och 48 utgående axlar av omkring 1200 r/min. Detta varvtal är mycket lägre än varvtalen hos de första och andra driv- axlarna 28 och 30. Vidare har enligt föreliggande uppfinning lågtrycksturbinen 36 ett totalt antal skovelrader, som håller propellerbladens spetshastigheter under ljudhastigheten.

Varvtalsreduktionen hos de första och andra rotorerna 38 och 48 i lågtrycksturbinen 36 medför en andra ordningens reduktion av centrifugalt alstrade påkänningar. Exempelvis medför en Varvtals- minskning med en fjärdedel en minskning med sju sextondelar av centrifugalpåkänningen. Detta är betydelsefullt genom att låg- trycksturbinen 36 kräver mindre material för att uppta centrifugal- påkänningar, vilket medför en lättare lågtrycksturbin 36. Använd- ningen av trumrotorer 38 och 48 i stället för skivor minskar " 462 een exempelvis vikten väsentligt. Den totala effekten vid användning av en motroterande lågtrycksturbin 36 är en väsentlig minskning av motorvikt jämfört med en motor, som innehåller en konventionell lågtrycksturbin och en reduktionsväxellåda.

Anordningar för att förbättra överföringsverkningsgraden kan även innefatta en tätning 53, som är anbragt mellan kåpan 14 och den andra trumrotorn 48. Genom denna anordning kommer läckage eller flöde av förbränningsgaser mellan den stationära kåpan 14 och rotorn 48 att reduceras. Detta arrangemang medför en enkel tätning i flödesbanans område med relativt högt tryck i närheten av stag- organen 32 och framför lågtrycksturbinen 36. Inga andra läckage- områden med relativt stor diameter finns, förrän omedelbart bakom den bakersta skovelraden 50b. Vid ett sådant bakre läge är förbrän- ningsgasernas tryck starkt reducerat och sålunda kommer eventuellt läckage i detta område att vara relativt litet relativt läckage- ställen längre uppströms.

Anordningar för att ytterligare förbättra överföringsverk- ningsgraden innefattar vidare motroterande propellrar 54 och 56, som är monterade baktill på motorn 10, radiellt utanför både den första rotorn 38 och den andra rotorn 48. Dessa propellrar har en navradie R3 och en spetsradie R4 från längdaxeln 12.

Med "navradie" avses avståndet från motorns centrumlinje 12 till utsidan av den roterbara gondolring från vilken varje propel- lerblad utskjuter. På liknande sätt är "spetsradien" avståndet från motorns centrumlinje 12 till den radiellt yttre änden av varje propellerblad. Genom montering av propellrarna 54 och 56 radiellt utanför den andra rotorn 48 ökar nav/spets-förhållandet R3/R4 hos propellrarna till ett relativt högt värde, jämfört med konventio- nella, kuggväxeldrivna propellrar, som typiskt har en liten nav- radie och sålunda relativt lågt nav/spets-förhållande. Detta arran- gemang ger en förbättring av de aerodynamiska prestanda. Exempelvis är förhållandet navradie till spetsradie större än omkring 0,4 och mellan omkring 0,5 till 0,4 vid en föredragen utföringsform. Vidare hindrar icke propellrarna flödet av förbränningsgaser, som avges från lågtrycksturbinen 36, vilket annars skulle reducera motor- prestanda och kräva kylning för att hindra värmeskador på propell- rarna 54 och 56.

Andra egenskaper hos propellrarnas 54 och 56 blad visas bäst i fig. 4 och 7. Varje blad är tillbakasvept mot spetsen. Sådan svepning reducerar spetsens relativa Machtal, vilket reducerar 12 462 660 förluster vid marsch-Machtal utöver 0,6. Varje blad är vidare vridet från bas till spets för att åstadkomma rätt kordaorientering för ökad bladhastighet med ökad radie. Varje blad har relativt lågt förhållande mellan tjocklek (T) och korda (C), såsom visas av blad- sektionen i fig. 7. Så är exempelvis T/C mindre än 0,14 vid blad- navet och omkring 0,02 vid spetsen.

Användningen av två propellrar i stället för en medger användning av propellrar med mindre diameter. Vid marschhastigheter för flygplan av omkring Mach 0,7 till omkring Mach 0,8 kommer exem- pelvis två propellrar med omkring 3,6 m diameter och rotationshas- tighet.av omkring 1200 r/min att alstra samma drivkraft som en enda propeller med omkring 4,8 m vid en rotationshastighet av omkring 900 r/min. Den reducerade diametern resulterar i minskade propel- lerhastigheter och minskat buller.

Med motorn 10 utförd med en kraftturbin med omkring 14 steg är det även fördelaktigt att R1/R4, R2/R4 och R3/R4 är lika med omkring 0,18, 0,35 resp. 0,45. Emellertid kan antalet steg i lågtrycksturbinen 36 vara mellan omkring 10 och omkring 18 steg och R1/R4, R2/R4 och R3/R4 kan vara i området mellan omkring 0,2 till 0,16, 0,4 till 0,3 resp. 0,5 till 0,4. Dessa förhållanden är före- dragna genom att därmed motorn 10 kan driva de motroterande pro- pellrarna 54 och 56 vid varvtal omkring 1200 r/min.

Utföringsformen av motorn 10 enligt fig. 1 medför ytterligare fördelar. Genom montage av propellrarna 54 och 56 vid motorns 10 bakände är exempelvis ett ringformigt inloppsområde 62 hos motorn relativt fritt från strömningsstörande hinder. Inloppsområdet 62 och en ringformig gondol 64, som omger motorn 10, kan sålunda ut- formas på lämpligt sätt för att uppnå förbättrat aerodynamiskt upp- förande hos luft, som införs i motorn 10 samt strömmar över denna.

Den ringformiga gondolen 64 bidrar till motorns 10 överfö- ringsverkningsgrad. Gondolen 64 bildar en yttre kontur, som inne- fattar fram-, bak- och mellanpartier 120, 122 resp. 124. Den yttre konturen är den enda yta som avgränsar flödesbanan av luft till propellrarna 54 och 56. Frampartiet 120 avgränsar ett inlopp för inloppsområdet 62, vilket är optimalt utformat för gasgeneratorn 16, utan att man behöver ta hänsyn till strömningsstörande hinder.

Bakpartiet 124 bildar en aerodynamiskt slät övergång till den främ- re roterbara gondolringen 126. Mellanpartiet 122 begränsar kåpans maximiradie R5, vilken är större än navradien R3 hos propellern 54 (R3 är även radien hos den främre roterbara gondolringen 126). Med ” 462 660 R5 större än R3, kommer flöde över gondolen 64 att spridas när det passerar mellanpartiet 122, varigenom lufthastigheten nära propel- lerns 54 nav reduceras. Detta reducerar förluster och förbättrar propellerns verkningsgrad.

I fig. 2 visas ett flygplan 66, vilket innefattar två motorer , som driver motroterande propellrar, såsom den som visas i fig. 1, vilka är monterade vid en bakände av flygplanet 66. Bakmonterade propellermotorer 10 enligt föreliggande uppfinning är i stånd att åt flygplanet 66 ge förbättrade prestanda och bränsleåtgång. Vidare har motorerna 10 reducerad vikt, jämfört med en konventionell turbopropmotor, som är dimensionerad för identiskt lika utgående drivkraft. Minskat propellerbuller kan uppnås, vilket medger en reduktion av mängden ljuddämpningsmodifikationer på flygplanet och sålunda ytterligare minskar flygplanets totalvikt.

I fig. 3 visas ett alternativt arrangemang för montage av motorer 10 med motroterande propellrar, såsom den i fig. 1 visade, på en flygplansvinge. Vid denna utföringsform är motorns 10 nav- organ 34 förlängt i riktning bakåt och på lämpligt sätt monterat på vingen 68. En stationär, ringformig utloppskanal 70 är på lämpligt sätt fäst vid navorganet 34 för att på lämpligt sätt leda motorns avgaser exempelvis under vingen 68. Den i fig. 3 visade utfö- ringsformen av motorn 10 illustrerar tydligt en väsentlig fördel hos motorns 10 stödorgan 30. Närmare bestämt är stödorganet 30 icke blott avsett för att fästa lågtrycksturbínen 36 i motorn 10 utan även för att fästa hela motorn 10 vid en flygplansvinge 68.

I fig. 4-7 visas en mer detaljerad sektion av en gasturbin enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning. Motorn 10 innefattar en gasgenerator 16 för att alstra förbränningsgaser.

Detaljer av gasgeneratorn 16 visas i fig. 5, varvid liknande delar som i fig. 1 erhållit samma hänvisningsbeteckningar.

Motorn 10 innefattar vidare anordningar för att effektivt överföra förbränningsgasernas energi till en nettodrivkraft, inne- fattande lågtrycksturbínen 36, främre och bakre, motroterande propellrar 54 resp. 56 och en ringformig kåpa 64.

Kraftturbinen eller lågtrycksturbínen 36 visas mer detaljerat i fig. 6, varvid liknande delar som i fig. 1 erhållit samma siffer- beteckningar. Ehuru i princip densamma som lågtrycksturbínen 36 i fig. 1, innefattar lågtrycksturbínen 36 i fig. 6 ett flertal olika detaljer. Dessa innefattar ett flertal inloppsledskenor 49a belägna axiellt framför de första och andra skovelraderna 46 och 50. Lika- 462 660 14 ledes är utloppsledskenor 49b anbragta axiellt bakom skovelraderna 46 och 50. Inloppsledskenorna 49a är avsedda att bibringa förbrän- ningsgaserna en perifer virvelrörelse, medan utloppsledskenorna 49b är avsedda att avlägsna väsentligen all perifer virvelrörelse från genomströmmande gaser. På detta sätt kan mer arbete effektivt uttas från de främre och bakersta skovelraderna i lågtrycksturbinen 36, f varigenom dess verkningsgrad förbättras.

Bladen hos de bakre och främre, motroterande propellrarna 56 och 54 är fästade vid första och andra roterbara gondolringar 128 och 126 vid första och andra radier R6 resp. R7. Radierna R6 och R7 motsvarar propellrarnas 56 resp. 54 navradier. Bakpropellern 56 är direkt kopplad till och driven av den första rotorn 38 och fram- propellern 54 är direkt kopplad till och driven av den andra rotorn 48. Ringformiga gondolringar 126 och 128 bildar de enda ytor som styr luftströmmen i området för propellerbladen.

De motroterande propellrarna 54 och 56 är anbragta utanför lågtrycksturbinen 36. I en föredragen utföringsform är frampropel- lern 54 och bakpropellern 56 vardera axiellt belägen mellan lågtrycksturbinens 36 fram- och bakändar. På detta sätt uppnås förbättrad dynamisk stabilitet hos motorn.

Framför lågtrycksturbinen 36 är ett flertal stagorgan 32 belägna, som sträcker sig radiellt inåt genom flödesbanan och är fästade vid sina radiellt inre ändar vid det ringformiga navorganet 34. På detta sätt har stagorganen 32 till uppgift att både stödja navorganet 34 och leda förbränningsgaser från gasgeneratorn till lågtrycksturbinen 36.

Den första, ringformiga trumrotorn 38 innefattar radiellt inâtskjutande bärorgan 130, 132 och 134. Vart och ett av bärorganen 130, 132 och 134 är väsentligen koniskt utformat, med de radiellt inre ändarna av organen 130 och 132 förbundna av ett allmänt cylindriskt bärorgan 136. Rotorn 38 är roterbart monterad på nav- organet 34 med rullager 138 och axiallager 139. Rullagret 138 är beläget väsentligen i lågtrycksturbinens 36 framparti vid förbin- delsen mellan bärorganen 130 och 136. Axiallagret 139 är beläget i lågtrycksturbinens 36 bakparti och vid den radiellt inre änden av bärorganet 134. Navorganet 34 är försett med ett väsentligen cylindriskt främre navparti 34a och ett väsentligen cylindriskt bakparti 34b, som sträcker sig radiellt från navorganet 34 invid lagren 138 resp. 139. På detta sätt bildar navorganet 34 förbättrat ') stöd för rotorn 38.

“S 462 een Den andra rotorn 48 innefattar väsentligen koniska bärorgan 140 och 142. Rotorn 48 stödjes på rotorns 38 bärorgan 136 med differentialaxiallager 144 och differentialrullager 146. Differen- tialaxiallagret 144 är anbragt vid bärorganets 140 radiellt inre ände och differentialrullagret 146 är beläget vid bärorganets 142 radiellt inre ände.

I drift kommer rotorn 38 att rotera kring det ringformiga navorganet 34 i en första riktning. Samtidigt kommer rotorn 48 att rotera i motsatt riktning. Genom användningen av differentiallagren 144 och 146 hålls rotorn 48 på axiellt och radiellt avstånd från den första rotorn 38 under det att den samtidigt är motroterbar med denna.

Fig. 6 visar vidare en mekanism 150 för ändring av stigning- en. Denna mekanism visas och beskrivs mer fullständigt i den ameri- kanska patentansökan 647,283.

Ehuru ovan beskrivits det som anses vara föredragna utfö- ringsformer av föreliggande uppfinning, torde andra utföringsformer inses av en fackman på området.

Exempelvis kan gasgeneratorn 16 i fig. 1 även användas utan en tillsatskompressor 18 och mellantrycksturbinen 26 kan även an- vändas för att alstra förbränningsgaser. Emedan den motroterande lågtrycksturbinen 36 är avsedd att åstadkomma relativt stor ut- effekt och stort vridmoment vid låga varvtal, kan dessutom gastur- binmotorer med sådana lågtrycksturbiner användas för drift av far- tyg, generatorer, stora pumpar exempelvis, vilka kan konstrueras för att ha motroterande ingångsaxlar, som på lämpligt sätt är fäs- tade vid de första och andra rotorerna 38 och 48 hos lågtrycks- turbinen 36.

Ehuru uppfinningen har beskrivits såsom tillämpad vid en motor med 15 000 axelhkr, kan den även dimensioneras för andra motorklasser. I exempelvis en mindre motor med 1500 axelhkr, som driver kortare propellrar 54 och 56, skulle högtrycksturbinen kunna konstrueras för att arbeta vid omkring 30 000 r/min. Den första rotorn 38 och den andra rotorn 48 i lågtrycksturbinen 36 i fig. 1 skulle motsvarande konstrueras för att arbeta vid omkring en 10 till 1 varvtalsreduktion, dvs vid omkring 3 000 r/min. Propellrarna 54 och 56 har, även om de arbetar vid omkring 3 000 r/min, reduce- rade spetsradier R4 och därför kan spiralspetshastigheterna hållas under överljudshastigheter.

Claims (6)

462 een “ Patentkrav.

1. Gasturbinmotor med en gasgenerator (16) anordnad att alstra förbrän- ningsgaser och en kraftturbin (36) innefattande en första rotor (38) med ett flertal första turbinskovlar (46), som sträcker sig radiellt ut från den, och en andra rotor (48) med ett flertal andra turbinskovlar (50), som sträcker sig radiellt inåt från den, vilka första och andra rotorer (38,48) är anordnade att avgränsa inre resp. yttre flödesbanytor (38a,48a) för de förbränningsgaser som strömmar genom kraftturbinen (36), vilken är anordnad att motta förbränningsgas- erna och utta väsentligen all uteffekt från dessa i ändamål att driva de första och andra rotorerna i motsatta riktningar, samt första och andra motroterande propellrar (54,56), vardera med ett flertal blad, som är fästade vid första resp. andra, roterbara gondolringar (l26,128), vilka första och andra propellrar är direkt kopplade till och drivna av de första resp. andra rotorerna (38,48) och anordnade radiellt utanför kraftturbinen (36), k ä n n e t e c k n a d av att vart och ett av bladen har ett förhållande mellan tjocklek och korda mindre än 0,14 vid navet, samt att en ringformig gondol (64), som är anbragt radiellt utanför gasgeneratorn (16), bildar en yttre kontur med fram-, mellan- och bak- partier (120, 122, 124), där mellanpartiet (122) uppvisar gondolens maximiradie, som är större än var och en av de roterbara gondolringarnas (l26,128) radier.

2. Gasturbinmotor med en gasgenerator (16) anordnad att alstra förbrän- ningsgaser och en kraftturbin (36) innefattande en första rotor (38) med ett flertal första turbinskovelrader (46), som sträcker sig radiellt ut från den, och en andra rotor (48) med ett flertal andra turbinskovelrader (50), som sträc- ker sig radiellt inåt från den, vilka första och andra rotorer (38,48) är anord- nade att avgränsa inre resp. yttre flödesbanytor (38a,48a) för de förbrännings- gaser som strömmar genom kraftturbinen (36), vilken är anordnad att motta för- bränningsgaserna och utta väsentligen all uteffekt från dessa i ändamål att driva de första och andra rotorerna i motsatta riktningar, samt första och andra motroterande propellrar (54,56), vardera med ett flertal blad, som är fästade vid första resp. andra, roterbara gondolringar (l26,128), vilka första och andra propellrar är direkt kopplade till och drivna av de första resp. andra rotorerna (38,48) och anordnade radiellt utanför kraftturbinen (36), k ä n n e t e c k - n a d av att en ringformig gondol (64), som är anbragt radiellt utanför gasge- neratorn (16), bildar en yttre kontur, som är den enda yta som begränsar flödes- banan för luft till propellrarna och har fram-, mellan- och bakpartier (120, 122, 124), där mellanpartiet (122) uppvisar gondolens maximiradie, som är större '* 462 een än var och en av de roterbara gondolringarnas (126,128) radier, samt att ett flertal inloppsledskenor (49a) är belägna axiellt framför de första och andra skovelraderna (46,50) och är anordnade att bibringa förbränningsgaserna en utmed omkretsen riktad virvelrörelse, och ett flertal utloppsledskenor (49b), som är belägna axiellt bakom de första och andra skovelraderna (46,50) är anordnade att avlägsna väsentligen all utmed omkretsen riktad virvelrörelse från de genom- strömmande gaserna.

3. Gasturbinmotor enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att en tät- ning (53) är anbragt mellan en ringformig, perifert runt gasgeneratorn anordnad kåpa (14) och den andra rotorn (48) för att reducera flödet av förbränningsgaser däri genom.

4. Gasturbinmotor enligt något av krav 2 eller 1, k ä n n e t e c k n a d av att förhållandet mellan tjocklek och korda hos propellerbladen (54,56) är mindre än 0,14 vid navet och omkring 0,02 vid bladspetsen.

5. Gasturbinmotor med en gasgenerator (16) anordnad att alstra förbrän- ningsgaser och en kraftturbin (36) innefattande en första rotor (38) med ett flertal första turbinskovelrader (46), som sträcker sig radiellt ut från den, och en andra rotor (48) med ett flertal andra turbinskovelrader (50), som sträc- ker sig radiellt inåt från den, vilka första och andra rotorer (38,48) är anord- nade att avgränsa inre resp. yttre flödesbanytor (38a,48a) för de förbrännings- gaser som strömmar genom kraftturbinen (36), vilken är anordnad att motta för- bränningsgaserna och utta väsentligen all uteffekt från dessa i ändamål att driva de första och andra rotorerna i motsatta riktningar, samt första och andra motroterande propellrar (54,56), vardera med ett flertal blad, som är fästade vid första resp. andra, roterbara gondolringar (126,128), är direkt kopplade till och drivna av de första resp. andra rotorerna (38,48) och anordnade radiellt utanför kraftturbinen (36), k ä n n e t e c k n a d av att en ringformig gondol (64), som är anbragt radiellt utanför gasgeneratorn (16), bildar en yttre kontur, som är den enda yta som begränsar flödesbanan för luft till propellrarna och har fram-, mellan- och bakpartier (120, 122, 124), där mellanpartiet (122) uppvisar gondolens maximiradie, som är större än var och en av de roterbara gondolringarnas (l26,128) radier,varvid en tätning (53) är an- bragt mellan en ringformig, perifert runt gasgeneratorn anordnad kåpa (14) och den andra rotorn (48) för att reducera flödet av förbränningsgaser därigenom, och förhållandet mellan tjocklek och korda hos propellerbladen (54,56) är mindre än 0,14 vid navet. 18' 462 660

6. Gasturbinmotor eniigt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att krafttur- bínen (36) innefattar ett fiertaï inïoppsïedskenor (49a), som är belägna axieiït framför de första och andra skoveïraderna (46,50), vi1ka inïoppsledskenor är an- ordnade att bibringa förbränningsgaserna en utmed omkretsen riktad virve1röre1- se, samt ett f1erta1 ut1opps1edskenor (49b), som är belägna axieïit bakom de första och andra skoveïraderna (46,50), viika utïoppsskenor är anordnade att avïägsna väsentiigen a11 utmed omkretsen riktad virveïröreïse från de genom- strömmande gaserna.